DE102007041183B4

DE102007041183B4 - Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes

Info

Publication number: DE102007041183B4
Application number: DE102007041183A
Authority: DE
Inventors: Jiri Goldmann
Original assignee: Merten GmbH
Current assignee: Merten GmbH
Priority date: 2007-08-28
Filing date: 2007-08-28
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: DE102007041183A1; EP2181456A2; WO2009026880A2; ES2376295T3; ATE531064T1; EP2181456B1; WO2009026880A3

Abstract

Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes bei einem elektromechanischen Schaltgerät, wobei in einem Gehäuse mindestens ein Dauermagnet (1), mindestens eine magnetisch erregbare Spule (2), ein in der Spule (2) zwischen zwei Endstellungen (A, B) drehbeweglich gelagerter und mit wenigstens einem Schaltkontakt verbundener weichmagnetischer Anker (3) und weitere elektrische Bauelemente (9) angeordnet sind, und wobei bei einem Wechsel des Ankers (3) zwischen den beiden Endstellungen (A, B), die Kernpermeabilität verändert und der jeweilige magnetische Arbeitspunkt (A, B) verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Schaltzustandes des Schaltgerätes Kernpermeabilitäten des Systems gemessen und ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes eines elektromechanischen Schaltgerätes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Derartige Schaltgeräte werden auch als Relais bezeichnet, wobei durch ein Steuersignal eine galvanisch getrennte Last geschaltet werden kann. Fortschrittliche Relais sind bistabil und gepolt ausgeführt, so dass durch einen kurzen Ansteuerungsimpuls in den jeweils anderen Schaltzustand geschaltet wird und anschließend keine zustandserhaltenden Energieaufwendungen notwendig sind. Wegen dieser energetischen Sparsamkeit werden derartige Relais häufig in modernen elektronischen Anlagen und bei Batterie versorgten elektronischen Geräten eingesetzt.
Bei vielen Anwendungen ist es wichtig zu wissen, ob das Relais sinnvoll und korrekt umschaltet bzw. in welchem Schaltzustand sich das Relais aktuell befindet. Dies ist um so wichtiger, wenn derartige Relais zusätzlich mit einer Handbetätigung ausgestattet sind, so dass der Installateur vor Ort beispielsweise schnell überprüfen kann, ob verdrahtete Lastkreise richtig arbeiten ohne das eine elektrische Ansteuerung dieser Elemente erfolgt. Eine zuverlässige Bestimmung und direkte Meldung der aktuellen Schaltposition eines bistabilen gepolten Relais ist daher wünschenswert.
Derartige Schaltgeräte werden häufig in Schaltaktoren eingesetzt, die z. B. in busgesteuerten Gebäudeinstallationen verwendet werden und das Bindeglied zwischen Logik und Last darstellen. Der Schaltaktor enthält dabei ein Relais, das über die Busleitung ansteuerbar ist und die zu schaltende Last ein- und ausschaltet.
Aus dem Stand der Technik sind Schaltgeräte bekannt, bei denen der Schaltzustand außerhalb des Gehäuses ermittelt wird und die Information mittels einer entsprechenden Verarbeitungseinheit in ein System eingekoppelt wird.
Aus der EP 0 777 907 B1 ist es bekannt, Sensoren innerhalb eines eigenen Gehäuses an geeigneter Stelle an das Schaltgerät zu koppeln, wobei die sensorische Erfassung des Schaltzustandes durch berührungslose, vorzugsweise magnetische bzw. schallempfindliche, Sensoren erfolgt.
Aus der EP 0 678 890 B1 ist ein Verfahren zur Erkennung von Schaltzuständen bekannt, bei dem über einen extern an das Schaltergehäuse angelegten Kondensator eine kapazitive Ankopplung an die Strom- bzw. Spannung führenden Teile realisiert wird.
In der US-A-4,706,073 wird ein Schaltgerät beschrieben, bei dem optische und magnetische Sensoren berührungslos die Auslösestellung eines Schaltgriffes von der Gerätefrontseite aus erfassen. In der US-A-4,611,209 enthält der Schaltgriff eines Schaltgerätes einen Permanentmagneten, der stellungsabhängig einen Reedkontakt betätigt.
Darüber hinaus ist es aus der DE 29 28 581 A1 bekannt, zur Bestimmung der Stellung eines Fahrpedals eines Kraftfahrzeuges einen Sensor in Form eines amorphen weichmagnetischen Ringkerns zu verwenden. Bei Betätigung des Fahrpedals wird der Ringkern elastisch verformt, wodurch eine Veränderung der Hystereseschleife des Kernmaterials hervorgerufen wird. Mittels einer Erreger- und Messschaltungsanordnung wird laufend die Permeabilität des Kerns gemessen und aus den Permeabilitätsänderungen auf die entsprechende Pedalstellung geschlossen.
Derartige Anordnungen und Verfahren bedeuten einen erhöhten Geräteaufwand und sind insbesondere bei kleinbauenden Relais nicht praktikabel, da eine Minimierung der Bauteile für die entsprechende Sensorik und Zustandserfassung problematisch ist, so dass eine sichere und zuverlässige Konstruktion nicht möglich ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die vorstehend genannten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zur Detektion des Schaltzustandes eines elektromechanischen Schaltgerätes zu schaffen, das komfortabel und zuverlässig ist und insbesondere in kleinbauenden Relais anwendbar ist.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung gemäß dem Patentanspruch 1 weist den Vorteil auf, dass ein zuverlässiges und komfortables Verfahren zur Bestimmung des Schaltzustandes eines elektromechanischen Schaltgerätes vorliegt, das innerhalb des Schaltgerätes mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln, vorzugsweise elektronischen Bauteilen, realisierbar ist. Wichtig ist dabei, dass die physikalischen Parameter des Relais nicht beeinflusst werden.
Vorteilhaft ist die digitale Aufbereitung und Auswertung der ermittelten Information, so dass das entsprechende Signal weiter verwendet werden kann. Dies ist z. B. innerhalb eines Bussystems von besonderer Relevanz, da die Information direkt dem System zur Verfügung steht. Des weiteren ist die Methode einfach und kostengünstig, so dass auch eine effiziente Verwendung in simplen Anlagen möglich ist.
Die Verfahren zur Bestimmung des Schaltzustandes betrifft ein elektromechanisches Schaltgerät, wobei in einem Gehäuse mindestens ein Dauermagnet, mindestens eine magnetisch erregbare Spule, ein in der Spule zwischen zwei Endstellungen drehbeweglich gelagerter und mit wenigstens einem Schaltkontakt verbundener weichmagnetischer Anker und weitere elektrische Bauelemente angeordnet sind, und wobei bei einem Wechsel des Ankers zwischen den beiden Endstellungen, die Kernpermeabilität verändert und der jeweilige magnetische Arbeitspunkt verschoben wird.
Zur Bestimmung des Schaltzustandes des Schaltgerätes werden Kernpermeabilitäten des Systems gemessen und ausgewertet. Wichtig ist vor allem, dass keine absolute Messung der Permeabilitäten die Grundlage der Erfindung bildet, sondern nur die relative Veränderung der Permeabilitäten ausgewertet wird. Dabei wird das Verhältnis oder die Differenz zweier Permeabilitätsänderungen bei gegensätzlich gepolten Prüfimpulsen indirekt ermittelt, in dem die Dauer der resultierenden Gegenspannung gemessen wird. Das Ergebnis wird mit entsprechenden Referenzwerten verglichen, so dass eindeutig die Position des Kernes und somit der Schaltzustand des Relais erkannt wird.
Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass bei diesem Verfahren die Detektion direkt anhand der elektrischen/magnetischen Eigenschaften des Systems ermittelt werden, so dass Fehlerquellen minimiert werden.
Wesentlich ist auch, dass sowohl die Detektierung einer manuell vorgenommenen Zustandsänderung per Handbetätigung als auch die Detektierung einer elektrisch angesteuerten Zustandsänderung in gleicher Weise ermöglicht wird, da die relevanten zustandsbestimmenden Parameter bei beiden Vorgängen gleich sind.
Sowohl der Prüfvorgang als auch der Auswertevorgang erfolgen vollständig auf elektronischem Weg, so dass entsprechend kleine Bauteile/Schaltungen in die ohnehin vorhandene Elektronikbaugruppe des Relais integriert werden können.
Das Verfahren lässt sich sowohl bei einspuligen als auch bei zweispuligen Relais verwenden. Bei einem einspuligen Relais werden die Prüfimpulse in gegensätzlicher Polarität eingespeist, während bei einem zweispuligem System beide Spulen mit je einem Prüfimpuls versehen werden.
Denkbar ist es auch, die Messung der Induktion bzw. Kernpermeabilität mittels alternativer Verfahren zu bestimmen. Ein mögliches Verfahren wäre eine Resonanzmessung bei fester Kapazität, wobei jedoch die relativ großen Induktivitäten einer Relaisspule die Messung erschweren. Des weiteren wäre eine Speisung mit einer hohen Frequenz und eine Auswertung des komplexen Widerstandes möglich.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen.
Es zeigen:
1 einen schematischen Aufbau eines Relais mit Darstellung der magnetischen Flussrichtungen.
2 das Diagramm einer Hysteresekurve des Magnetkreises, mit eingezeichneten Prüfimpulsen.
3 eine schaltungstechnische Realisierung der Prüfschaltung.
Gleiche oder gleichwirkende Bauteile sind in der nachfolgenden Beschreibung mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den nachfolgenden Figuren wird die Funktionsweise der Zustandserkennung näher beschrieben, wobei das Schaltgerät ein gepoltes bistables Relais ist.
Bei bistabilen Relais werden die Relaiskontakte durch einen kurzen Stromimpuls mit einer richtigen Polarität oder durch eine manuelle Betätigung in den gewünschten Zustand umgeschaltet. In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Relais mit den für die Erfindung wesentlichen Bauteile schematisch dargestellt, nämlich einem Dauermagneten 1, einem weichmagnetischen Anker 3 und einer erregbaren Spule 3. Denkbar ist hier auch eine zweispulige Anordnung.
Bei einem elektrisch generierten Schaltvorgang verursacht ein Impuls in die Erregerspule 3 einen zusätzlichen magnetischen Fluss im Kern 3. Wenn dieser Fluss den magnetischen Fluss des Dauermagneten 1 übersteigt, erfolgt ein Wechsel des Magnetflusses, so dass der Kern 3 und die mechanisch verbundenen Relaiskontakte umschalten. Nach Wegfall des Impulses hält der Dauermagnet 1 das Relais in dem neuen Schaltzustand.
Die Zustandsbestimmungsmethode gemäß der Erfindung verwertet die Änderung der Kernpermeabilitäten auf Grund gegensätzlicher gepolter Erregungsimpulse im bistabilen Relais. Die diesbezüglichen Zusammenhänge und Abläufe werden nachfolgend erläutert.
In der 2 ist die Permeabilität des magnetisches Kreises des Relais bestehend aus dem Dauermagneten 1 und dem weichmagnetischen Kern 3 dargestellt. Die Permeabilität zeigt das Verhältnis zwischen magnetischer Feldstärke H und magnetischen Flussdichte B und bildet eine sogenannte Hystereseschleife aus. Es wird dabei davon ausgegangen, dass sich das Relais magnetisch im Schaltpunkt A befindet und die Relaiskontakte offen sind. Der Punkt A befindet sich auf einer nicht linearen Kurve.
Wenn das Relais durch einen Erregungsimpuls umgeschaltet wird und die Kontakte geschlossen werden, befindet es sich magnetisch im Punkt B, ebenfalls im nicht linearen Gebiet. Um den Schaltzustand des Relais herauszufinden, muss man feststellen, ob sich das Relais im Punkt A (Relais offen) oder im Punkt B (Relais geschlossen) befindet.
In 2 ist erkennbar, dass mit einem positiven Erregungsimpuls beide Punkte A und B nach rechts verschoben werden. Für Punkt A bedeutet dies eine viel kleinere Änderung der magnetischen Flussdichte B, weil er sich der Sättigung des Kernes nähert. Dagegen entfernt sich Punkt B von der Sättigung nach einem positiven Erregungsimpuls und die Änderung der magnetischen Flussdichte B ist deutlich größer im Vergleich zum Punkt A.
Eine zuverlässige, billige und digitale Methode um den Zustand des Relais im Punkt A oder B festzustellen, beschreibt die Erfindung. Mit Hilfe der Standard-Relaisendstufen wird ein Prüfimpuls P1 in der Erregerspule 2 generiert. Dieser Prüfimpuls P1 muss möglichst kurz sein, um das Umschalten des Relais zu vermeiden. Es sollte aber gleichzeitig genügend lang sein, um die Verschiebung des Arbeitspunktes sinnvoll auswerten zu können. Beispielsweise sollte bei einem Schaltimpuls von 10 ms, ein Prüfimpuls P1 mit einer Dauer von 1 ms generiert werden.
Nach der Beendigung des Prüfimpulses P1 wird eine Gegenspannung induziert. Die Größe und die Dauer der Gegenspannung sind abhängig von der Versorgungsspannung des Relais, Dauer des Prüfimpuls P1 und der untersuchten Permeabilität. Wird ein gleicher, aber umgepolter Prüfimpuls P2 bzw. ein gleicher Prüfimpuls P2 in die andere Spulenwicklung gegeben, bleiben die Versorgungsspannung und die Dauer des Prüfimpulses P2 konstant, während die untersuchte Permeabilität sich ändert.
Unter der Voraussetzung, dass beide Prüfimpulse P1, P2 die gleiche Dauer haben und nacheinander kommen, ist die Dauer der jeweils induzierten Gegenspannung proportional zur jeweiligen Änderung ΔB1, ΔB2 der magnetischen Flussdichte bzw. Permeabilität. Durch die Auswertung beider Werte kann die Schaltposition des Relais eindeutig bestimmt werden. Bildet man einen Quotienten aus den Zeitwerten ergibt sich ein Wert unter oder über 1, womit entweder Punkt A oder Punkt B eindeutig bestimmt ist. Bildet man eine Subtraktion aus den Zeitwerten ergibt sich ein Wert unter oder über 0, womit ebenfalls entweder Punkt A oder Punkt B eindeutig bestimmt ist. Durch diese Auswertung der Zeiten der induzierten Gegenspannungen bestimmt eine Messschaltung die Schaltposition des Relais und gibt die Information entsprechend aufbereitet an ein Steuerungssystem weiter.
Die Prüfung des magnetischen Kreises und die Auswertung der Signale erfolgt mittels einer elektronischen Schaltung 10, die an die ohnehin vorhandenen Elektronik-Bauelemente 9 des Relais angegliedert ist. Für die Anpassung des Impulses ist ein Spannungsteiler 13, zwei Dioden 11, 12 und einen Schmitt-Trigger 14 als Signalformer notwendig. Eine derartige Schaltung ist beispielhaft in 3 dargestellt.
Derartige Schaltgeräte werden vorzugsweise in Schaltaktoren eingesetzt, die z. B. innerhalb im Gebäude verlegter Busnetze verwendet werden und das Bindeglied zwischen Logik und Last darstellen. Der Schaltaktor enthält ein Relais, das über die Busleitung ansteuerbar ist und die zu schaltende Last ein- und ausschaltet. Bei den Teilnehmern wird unterschieden zwischen Sensoren und Aktoren. Ein Sensor ist beispielsweise ein elektrischer Taster, Schalter oder Fernbedienung und ein Aktor ist ein Betätigungselement, das auf ein elektrisches Signal hin eine Funktion veranlasst, wie beispielsweise das Einschalten eines elektrischen Gerätes, Ventil oder dergleichen. Zu den Aktoren zählen beispielsweise Zwischenstecker, Elektromagnete, Garagentorantriebe, Rolladenantriebe oder Haushaltsmaschinen.

1: Dauermagnet
2: Spule
3: Anker, Kern
4: Magnetischer Fluss im Punkt B
5: Magnetischer Fluss im Punkt A
9: Elektronik-Bauelemente
10: Zustanderkennung
11: Diode
12: Diode
13: Spannungsteiler
14: Signalformer
A: Arbeitspunkt, Schaltstellung
B: Arbeitspunkt, Schaltstellung
P1: Prüfimpuls
P2: Prüfimpuls
ΔB1: Flussänderung
ΔB2: Flussänderung

Claims

Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes bei einem elektromechanischen Schaltgerät, wobei in einem Gehäuse mindestens ein Dauermagnet (1), mindestens eine magnetisch erregbare Spule (2), ein in der Spule (2) zwischen zwei Endstellungen (A, B) drehbeweglich gelagerter und mit wenigstens einem Schaltkontakt verbundener weichmagnetischer Anker (3) und weitere elektrische Bauelemente (9) angeordnet sind, und wobei bei einem Wechsel des Ankers (3) zwischen den beiden Endstellungen (A, B), die Kernpermeabilität verändert und der jeweilige magnetische Arbeitspunkt (A, B) verschoben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Schaltzustandes des Schaltgerätes Kernpermeabilitäten des Systems gemessen und ausgewertet werden.
Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes bei einem elektromechanischen Schaltgerät, nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Kernpermeabilität ausgehend von einem definierten Arbeitspunkt (A, B) bei entgegengesetzten größengleichen Prüfimpulsen (P1, P2) gemessen wird, die beiden Werte (ΔB1, ΔB2) ins Verhältnis gesetzt werden und anhand entsprechender Referenzwerte die jeweilige Endstellung des Ankers (3) bestimmt wird.
Verfahren zur Detektierung des Schaltzustandes bei einem elektromechanischen Schaltgerät nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch polaritätsmäßig gegensätzliche Prüfimpulse (P1, P2) zeitlich der jeweiligen Kernpermeabilität proportionale Gegenspannungen induziert werden und die Zeiten als Beurteilungskriterium benutzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung und die Dauer der Prüfimpulse (P1, P2) im Prüfintervall gleichbleibend sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfimpuls (P1, P2) kürzer ist als ein Schaltimpuls.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Prüfimpulse (P1, P2) unmittelbar hintereinander erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Zeitkomponenten und zu Zuordnung zu den Referenzwerten mittels einer Signalverarbeitungseinrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandserkennung im statischen und/oder im dynamischen Betrieb des Schaltgerätes möglich ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustandsbestimmung digital erfolgt.
Schaltgerät, wobei in einem Gehäuse mindestens ein Dauermagnet (1), mindestens eine magnetisch erregbare Spule (2), ein in der Spule (2) zwischen zwei Endstellungen (A, B) drehbeweglich gelagerter und mit wenigstens einem Schaltkontakt verbundener weichmagnetischer Anker (3) und weitere elektrische Bauelemente (9) angeordnet sind, und wobei der Schaltzustand des Schaltgerätes nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzustand des Schaltgerätes durch die Veränderung der Kernpermeabilitäten des Systems messbar und auswertbar ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zustandserkennung (10) notwendigen Bauteile (11–14) in dem Gehäuse des Schaltgerätes angeordnet sind.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltgerät eine manuelle Betätigungsvorrichtung aufweist, die außerhalb des Gehäuses bedienbar ist und mit dem Anker (3) verbunden ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Bauelemente (9, 10) verwendet werden.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Schaltgerät ein bistabiles gepoltes Relais ist.
Schaltgerät nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais ein- oder zweispulig ausgeführt ist.